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2019.05.09 SiC功率元件
本文匯總了SiC的物理特性、SiC-SBD(蕭特基二極體)、SiC-MOSFET、全SiC功率模組的關鍵要點作為最後的總結篇。
<何謂SiC(碳化矽)?>
・SiC的物理特性適用於功率元件。
・與Si半導體相比,具有更優異的降低損耗和能在高溫度環境下工作的特性。
・開發SiC是能源問題的一大解決方案。
・SiC具有降低損耗、實現小型化的巨大優勢。
<SiC蕭特基二極體>
・SiC-SBD的特長是擁有優異的高速性且實現了高耐壓。
・與高耐壓Si-PN二極體相比,反向恢復時間等高速性優異,可實現更低損耗和小型化。
・SiC-SBD與Si-PND(FRD)相比,trr高速且反向恢復電流也顯著減少,因此損耗也小。
・SiC-SBD的反向恢復特性(trr和反向恢復電流)基本上沒有溫度依賴性。
・SiC-SBD的VF隨著溫度升高而上升,但Si-PND(FRD)的VF是下降的。
・高溫下SiC-SBD的VF上升會使IFSM下降,但不會像VF下降的Si-PND(FRD)那樣發生熱失控。
・第2代SiC-SBD可以說是目前情況下降低VF、最有助於降低損耗的功率二極體。
・ROHM SiC-SBD已經發展到第3代。
・第3代產品的抗突波電流特性與漏電流特性得到改善,並進一步降低了第2代達成的低VF。
・trr速度快,因此可大幅減少恢復損耗,從而可實現高效率。
・同樣的原因,反向電流小,因此雜訊小,可減少抗雜訊/浪湧的對策零件,從而實現小型化。
・高頻工作有助於實現電感等週邊零件的小型化。
・ROHM針對SiC-SBD的可靠性,針對標準的半導體元件,根據標準進行試驗與評估。
<何謂SiC-MOSFET>
・SiC-MOSFET相對於Si-MOSFET和IGBT,更有助於降低應用的損耗和實現應用的小型化。
・功率電晶體的特長因材料和結構而異。
・在特性方面各有優缺點,但SiC-MOSFET在整體上具有優異的特性。
・為使SiC-MOSFET獲得低啟動阻抗,Vgs需要在18V前後,要比Si-MOSFET高。
・SiC-MOSFET的內部閘極電阻比Si-MOSFET大,因此外接Rg較小,但需要權衡突波保護。
・SiC-MOSFET在Vd-Id特性方面,導通阻抗特性的變化呈線性,因此在低電流範圍優於IGBT。
・SiC-MOSFET的開關損耗遠低於IGBT。
・SiC-MOSFET BodyDiode的正向特性Vf比Si-MOSFET大。
・SiC-MOSFET BodyDiode的trr更高速,與Si-MOSFET相比可大幅降低恢復損耗。
▶何謂SiC-MOSFET-溝槽結構SiC-MOSFET與實際產品
・ROHM已實現採用獨有雙溝槽結構的SiC-MOSFET的量產。
・溝槽結構的SiC-MOSFET與DMOS結構的產品相比,啟動阻抗降低約50%,輸入電容降低約35%。
・通過SiC-MOSFET的應用實例,思考SiC-MOSFET的有效性。
・ROHM的SiC-MOSFET與已經普及的Si-MOSFET具有同等可靠性。
<全SiC功率模組>
・全SiC功率模組由ROHM自主生產的SiC-MOSFET和SiC-SBD組成。
・與傳統的Si-IGBT功率模組相比,“全SiC”功率模組可高速開關並可大幅降低損耗。
・全SiC功率模組正在不斷進化,最新產品搭載了最新的第三代SiC-MOSFET。
・與IGBT模組相比,全SiC功率模組的開關損耗大大降低。
・尤其是開關頻率越高,其損耗差越大。
・SiC功率模組可以大幅降低損耗並同時實現高速開關。
・“閘極誤導通”是全SiC功率模組的閘極驅動需要探討的事項之一。
・閘極誤導通是由高側開關導通時的dV/dt速度快、及低側閘極寄生電容和閘極阻抗引起的。
・“閘極誤導通”的抑制方法有三種:①使關斷時的Vgs為負電壓,②增加外接CGS,③增加米勒鉗位MOSFET。
・通過優化全SiC功率模組的閘極驅動,可實現更低損耗的乾淨動作。
・要發揮高速開關性能優勢,需要極力抑制電氣佈線的寄生電感。
・靠近電源引腳連接電容器,可降低佈線電感。
▶應用要點: 專用閘極驅動器和緩衝(Snubber)模組的效果
・使用專用閘極驅動器和緩衝模組,可顯著抑制浪湧和振鈴。
・在損耗方面,Eon增加,Eoff減少。若以總損耗(Eon + Eoff)來比較,損耗是減少的。
・ROHM提供包括全SiC模組損耗類比器在內的支援工具。
・支援工具有助於全SiC模組的選型和初期檢討。